复合柱撑蒙脱土的制备及其吸附水溶液中Cr(Ⅵ)的研究

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本文以钙基蒙脱土(MMT)为原料,以溴化十六烷基吡啶(CPB)和聚合羟基铝阳离子为柱化剂,通过对MMT进行柱撑改性来制备除铬吸附剂。以重铬酸钾(K2Cr2O7)为铬源制备模拟含铬废水,研究柱撑土吸附剂吸附水中Cr(Ⅵ)的能力。分别制备了CPB单一柱撑蒙脱土(CPB-MMT)和CPB与聚合羟基铝阳离子复合柱撑蒙脱土(CPB/Al-MMT)两个体系的柱撑土吸附剂,以水中Cr(Ⅵ)的去除率为指标,结合X射线衍射(X-RayDiffraction,XRD)、比表面积与孔径分析(BET)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)-X射线能谱联用(SEM-EDS)和傅立叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectrum,FT-IR)等表征分析方法,分别研究不同制备条件对两个不同体系吸附剂的性质和吸附性能的影响,确定了最佳制备条件;优化了CPB/Al-MMT系列吸附剂吸附去除Cr(Ⅵ)的工艺条件;最后对吸附过程的等温方程和吸附动力学原理进行了研究,初步得出关于吸附类型和吸附机理的结论。制备CPB-MMT吸附剂的最优条件为:CPB浓度为7.5mmol/L,使用超声波辅助柱撑比传统搅拌方法好,超声条件下的固液比为1.0%,超声的功率为80W,时间为20min。在上述条件下制备得到的吸附剂CPB-MMT-21的性能最优,对Cr(Ⅵ)的去除率可达93.88%,对应吸附量为9.3879mg/g。使用XRD、FT-IR、BET、SEM-EDS等表征分析可知:CPB已柱撑进入MMT层间,使层间距从11.118A扩撑到18.987A、比表面积从46.249m2/g增大到136.111 m2/g,孔容、孔径也均有增大;CPB的进入并没有改变原蒙脱土的结构性质。对MMT进行复合柱撑,研究了柱化剂的不同加入方式和两种柱化剂之间的不同比例对CPB/Al-MMT吸附性能的影响。结果表明:先加入CPB要比先加入羟基铝柱化剂或者二者同时加入的吸附效果好,CPB与羟基铝之间的最优比例为nCPB/nAl=1:10。采用上述条件制得的复合吸附剂CAM-4的最大吸附量可达15.63mg/g,远高于CPB-MMT的吸附量。通过各项表征分析结果得知:羟基铝成功进入MMT结构中,使MMT的层间距从11.118A增大到19.354A,吸附剂的比表面积从46.294 m2/g增加到151.497m2/g,总孔容和平均孔径明显增大且复合柱撑同样没有使蒙脱土的结构性质发生改变。CPB/Al-MMT吸附剂吸附去除Cr(Ⅵ)的最适工艺条件为:含铬废水的pH在4.0-6.0之间;吸附剂的投加量为0.1g/ 100ml;含铬废水中Cr(Ⅵ)的初始浓度不宜超过2Omg/L。在此最适条件下,CAM-4对Cr(Ⅵ)的去除率可达99.01%,对应的吸附量为19.802mg/g。最后,研究了吸附等温方程和吸附动力学。结果发现Langmuir吸附等温方程能更好的描述Cr(Ⅵ)在两个系列柱撑MMT吸附剂上的吸附过程;不同温度下的吸附实验表明:吸附反应为放热反应,低温(25℃)有利于反应的进行;动力学相关研究结果表明,实验中制备的吸附剂CPB-MMT和CPB/Al-MMT吸附Cr(Ⅵ)的过程可以用拟二级动力学方程来描述;所有吸附反应的吸附量及吸附速率均在开始的10min内迅速增加在1h左右达到平衡;本实验中的吸附属于物理吸附,吸附过程的主要推动力为正负电荷间的引力;吸附过程的整体速率由外扩散和颗粒内扩散共同决定。
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